Impression tridimensionnelle

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Impression en 3D d'un objet hexagonal.

L'impression 3D (ou impression tridimensionnelle) est une technique de fabrication additive développée pour le prototypage rapide. Trois technologies principales coexistent : le FDM (Fuse Deposition Modeling : modelage par dépôt de matière en fusion), la SLA (Stéréolithographie = une lumière UV solidifie une couche de plastique liquide) et le frittage sélectif par laser (un laser agglomère une couche de poudre).

L'impression tri-dimensionnelle permet de produire un objet réel : un opérateur dessine l'objet sur un écran en utilisant un outil de CAO (Conception assistée par ordinateur). Le fichier 3D obtenu est envoyé vers une imprimante spécifique qui le découpe en tranches et dépose ou solidifie de la matière couche par couche pour obtenir la pièce finale. Le principe est donc assez proche de celui d'une imprimante 2D classique : les buses utilisées, qui déposent de la colle, sont d'ailleurs identiques à celles des imprimantes de bureau. C'est l'empilement de ces couches qui crée un volume.
Selon le procédé une panoplie de matériaux peut être utilisée : le plastique (ABS), la cire, le métal[1], le plâtre de Paris [2] et d'autres encore.

Les applications vont de l'industrie - la production de voitures[3], d'avions[1],[4], de bien de consommation, etc.-, à la visualisation de projets, de vérification d'ergonomie pour l'architecture ou les études de design.

En 2013[modifier | modifier le code]

En 2013, cette technique est limitée à l'utilisation de matériaux non propices à un usage intensif et donc ne produit que des prototypes, parfois grandeur nature, mais l'usage qui en sera fait dans l'avenir reste un sujet de recherche et de débat[5]. L'industrie dentaire et la bijouterie de luxe utilisent cependant déjà l'impression 3D avec succès pour la réalisation de pièces finales. Les industries aérospatiale, automobile et l'industrie du cinéma utilisent aussi déjà l'impression 3D avec succès pour des pièces finies. Certains utilisateurs d'imprimantes 3D personnelles ou de services d'impression 3D en ligne utilisent aussi déjà quotidiennement des objets imprimés en 3D[6]. Débuté en janvier 2013, le projet Amaze de l'Agence spatiale européenne vise à permettre l'impression en 3D, de manière industrielle, de pièces exploitables dans l'aérospatiale et autres domaines à fortes contraintes[7],[8].

Une maquette de façade d'immeuble créée par impression tridimensionnelle

Enjeux du procédé[modifier | modifier le code]

Chris Anderson, écrivain et journaliste américain, auteur de Makers: The New Industrial Revolution, voit dans l'avènement de l'impression tridimensionnelle une troisième révolution industrielle. Barack Obama, le président des États-Unis, a indiqué sa volonté, lors de son discours sur l'état de l'Union en février 2013, pour que l'Amérique investisse dans la création de centres d'impression 3D pour dynamiser l'innovation et créer des emplois[9]. Son développement pourrait relocaliser la production dans les pays riches, étant donné que désormais la main-d'œuvre serait devenue obsolète[10].

En France en 2013, le ministère du redressement productif, soutient par un appel à projets, 14 fablabs (ou laboratoires de fabrication additive), utilisant des machines d'impression 3D[11].

Aspects juridiques[modifier | modifier le code]

La démocratisation de l'impression tridimensionnelle fait craindre à certains de nouveaux modes de reproduction illégale. Elle pourrait induire une adaptation du droit de la propriété intellectuelle.

En novembre 2010, Michael Weinberg écrit sur PublicKnowledge.org. que « Le temps viendra (...) vite où les industries en place qui seront touchées exigeront de nouvelles lois restrictives pour l’impression 3D. Si la communauté attend ce jour pour s’organiser, il sera trop tard. [Elle] doit plutôt s’efforcer d’éduquer les décisionnaires et le public sur le formidable potentiel de l’impression 3D. Ainsi, lorsque les industries en place décriront avec dédain l’impression 3D comme un passe-temps de pirates ou de hors-la-loi, leurs déclarations tomberont dans des oreilles trop avisées pour détruire cette toute nouvelle nouveauté ».

L'impression tridimensionnelle a d'abord été industrielle, mais fonctionne aussi sur le modèle du logiciel libre/open source. Un auteur de Framablog écrit « songez en effet à un monde où les quatre libertés du logiciel s’appliquent également ainsi aux objets domestiques : liberté d’usage, d’étude, d’amélioration et de diffusion. Ne sommes-nous pas alors réellement dans des conditions qui nous permettent de nous affranchir d’une certaine logique économique et financière dont nous ne pouvions que constater impuissants les dégâts toujours plus nombreux ? »

Par exemple, le blogueur Todd Blatt a reçu une mise en demeure de Paramount pour la matérialisation d’un cube similaire à celui du film Super 8 sur Shapeways ; base de données de fichiers 3D numériques). En août 2013, Shapeways a également été mis en demeure par la société japonaise Square Enix, éditrice du jeu Final Fantasy, suite à la mise en ligne et à la vente de figurines représentant les héros du jeu sur leur site[12].

En 2013, le député François Cornut-Gentille questionne à l'assemblée nationale le ministre du Redressement productif (Arnaud Montebourg) : « La prolifération de sites de téléchargement de ce genre de fichier est à craindre dans les années à venir ; elle risquerait, à terme, d'engendrer des effets aussi néfastes pour l'industrie que ceux que connaissent actuellement les secteurs de la musique et du cinéma », craignant des reproductions faites « sans aucun droit de propriété et à moindre frais » dès lors que des plans privés sont récupérés. Le député souhaite savoir si des « dispositifs » sont prévus pour réguler et encadrer le marché de l'impression tridimensionnelle (par exemple par le déploiement de verrous numériques (DRM).

Histoire, tendances et prospectives[modifier | modifier le code]

L'imprimante tridimensionnelle a d'abord relevé de la science-fiction (Arthur C. Clarke évoquait une « machine à répliquer » dans les années 1960, machine qui allait répliquer les objets comme on imprimait des livres, ce qui aurait un effet profondément positif sur la société : « l'humanité s'adaptera comme par le passé »[13] ou de la bande dessinée (en 1972, dans le dessin animé Tintin et le Lac aux requins, le professeur Tournesol invente une photocopieuse tridimensionnelle immédiatement convoitée par Rastapopoulos pour fabriquer des faux en dupliquant des œuvres d'art volées dans de grands musées).

Puis dans le dernier quart du XXème siècle certaines industries l'ont développée et utilisée (pour le prototypage surtout).

Elle s'est ensuite démocratisée au début du XXIème siècle. Et de nombreux observateurs estiment qu'elle prendra une part importante dans la nouvelle forme de production. Jeremy Rifkin pense qu'elle pourrait être un des éléments de son concept de troisième révolution industrielle[14].

La précision de l'impression, et les typologies de matériaux sont susceptibles d'augmenter à l'avenir au fur et à mesure des progrès techniques[15].

Plus récemment (2012-2013), des expériences artistiques ou techniques ont utilisé des machines construisant des objets ou décors en sable, parfois de grande taille. C'est le cas par exemple de :

  • décors d'architecture imprimée par les architectes Michael Hansmeyer et Benjamin Dillenburger, réalisés avec le Department d'Architecture de l'ETH de Zurich [16]. La machine 3 D a produit des objets de grande taille à base de sable mis en forme à partir d'algorithmes conçus pour produire des formes complexes et décoratives[16], qui devraient être exposés en France au FRAC d'Orléans en 2014[17]
  • Des sculptures ou objets utilitaires construit par un « robot mobile pulvérisateur de pierre » (Stone Spray robot) contrôlé par ordinateur et capable d'imprimer dans plusieurs directions à la fois (selon deux plans ; vertical et horizontal) pour produire des formes complexes éventuellement autoportantes (meubles, murs, sculptures[18]... construites à base de sable aggloméré par une colle (liant écologique certifié LEEED (Leadership in Energy and Environmental Design), avec une alimentation électrique qui est un panneau photovoltaïque[19]. Ce robot a été produit par Shergill, Anna Kulik et Petr Novikov, supervisés par Jordi Portell, Marta Male Alemany et Miquel Iloveras de l'IAAC (Institut catalan pour une architecture avancée (Institute for Advanced Architecture of Catalonia (en))[20]
  • Des objets en sable fondu ; la fusion est produite par concentration d'un faisceau de lumière solaire sur une couche renouvelée de sable du désert ; Markus Kayser a ainsi produit un petit prototype très simple, testé avec succès dans le désert du Sahara fonctionnant au moyen d'une lentille de fresnel (« Solar Sinter Project ») concentrant la chaleur du soleil sur du sable ajouté dans la machine couche par couche, sur la base d'un modèle numérique[21].

Des objets de grande taille pourraient bientôt également être produits par la technologie du Contour crafting[22] : Le Pr Behrokh Khoshnevis, avec l'université de Californie du Sud et des financements de la Nasa et l'Institut Cal-Earth teste en 2014 une « imprimante 3D géante » avec comme projet de construire une maison en 24 heures[23]. L'imprimante est ici un robot qui projette du béton selon un plan stocké dans l'ordinateur qui le commande. De tels robots pourraient construire, pour tout ou partie avec des matériaux prélevés sur place des édifices civils et militaires, des pistes d’atterrissage, des routes, des hangars ou encore murs anti-radiation ainsi que des structures éventuellement habitables sur la lune, mars ou d'autres environnements extraterrestre. Des tests sont faits dans un laboratoire situé dans le désert de la Nasa (D-RATS). Ce procédé est ou a été testé à petite échelle (projet "maison du futur / Urban initiative policy" (2004)[24]) et il est envisagé par des industriels depuis plusieurs années[25]

Capacités[modifier | modifier le code]

Exemple d'une imprimante 3 dimension RepRap (contraction de l'anglais Replication Rapid prototyper : Concepteur de réplication rapide) version « Mendel »
une Reprap version « Huxley » a imprimé plusieurs objets en 3D

En 2012, le marché mondial de l'impression 3D a atteint $2,2 milliards avec une croissance annuelle de 30%[26].
En 2013, on sait gérer facilement des matériaux correspondant aux caractéristiques suivantes :

  • conducteurs électriques et isolants, résistants électriques ;
  • transparents, translucides ou opaques ;
  • rigides ou souples, élastiques ou cassants ;
  • pâteux, durs, abrasifs ;
  • colorés (toutes les couleurs, y compris phosphorescents, réactifs aux UV…) ;
  • magnétiquement inertes.
  • magnétiquement temporaires, médiocrement, en introduisant de la limaille de fer dans une cavité, ou un métal par exemple. (Une aimantation ultérieure permet de gérer les aimantations définitives).

En 2013, on ne sait pas gérer facilement des matériaux correspondant aux caractéristiques suivantes :

  • semi-conducteurs neutres, négatifs et positifs : voir l'article dédié : dopage (semi-conducteur) ;
  • précontraints ;
  • gaz ;

Les textiles sont généralement assemblés séparément et fixés aux objets finaux.

Cela rend impossible les transistors, l'électronique, l'informatique, les panneaux photovoltaïques, les interrupteurs à lames souples.
Il est plus facile de construire les pièces détachées séparément et de les assembler ensuite, mais il est souvent possible d'imprimer les objets déjà terminées, avec l'assemblage déjà effectué.

A noter que Microsoft a déposé en septembre 2013 un brevet rendu public qui aurait pour objectif de repousser les limites décrites ci-dessus : en effet, l'entreprise envisage des imprimantes 3D[27] capables d'élaborer des objets électroniques en fournissant comme "consommables" des cartouches de composants électroniques (puces, led, processeurs, etc).

Applications[modifier | modifier le code]

Armes et armée[modifier | modifier le code]

Le commandement des opérations spéciales de l'armée américaine construit « huit usines mobiles » qui peuvent rentrer dans des conteneurs de transport standard. Ces usines sont basées sur une expérience réussie, le MPH[28]. Ce type de « micro usines » est l'aboutissement de l'idée d'usine, avec des technologies d'impressions tridimensionnelles.

D'après l'armée américaine, l'impression tridimensionnelle réduit de 97 % les coûts de production et de 83 % le temps de production[29].

L'étudiant texan Cody Wilson a réussi à fabriquer une arme à feu à l'aide d'une imprimante 3D. Si la majeure partie de l'arme est constituée de plastique moulé, fabriqué à l'aide de l'imprimante 3D, le canon et la crosse demeurent toutefois en métal. Une fois la démonstration faite de l'efficacité de l'arme, le créateur de cette arme à feu, a ensuite partagé les plans de fabrication de l'arme sur Internet. À l'origine, le créateur de cette arme à feu, souhaitait pouvoir tirer au moins vingt balles avec l'arme ainsi créée. Il n'a pu en tirer que six, avant que l'arme ne se désagrège complètement.

Aéronautique[modifier | modifier le code]

EADS, la maison mère d'Airbus a des projets visant à produire toutes les parties des avions par des techniques d'impression tridimensionnelle (ALM-enabled: additive layer manufacturing)[1],[30],[31]

Médecine et recherche[modifier | modifier le code]

  • Le domaine de la médecine profite aussi de l'impression 3D, avec la création d'un matériau semblable à un os[32] ou encore la création de prothèses et implants (hanches artificielles, appareils dentaires et auditifs personnalisés)[33] et exosquelettes personnalisés[34]. Récemment les chercheurs de l'AECS (université de Wollongong) ont conçu un crayon, le BioPen, capable d'imprimer des cellules souches (nerveuses, musculaires, osseuses) sur des zones lésées[35].
  • L'impression tridimensionnelle, permet de matérialiser des espaces creux ou des organes mous.
Oreille interne d’un fossile de babouin (2,8 millions d’année) initialement de 2 cm agrandie à 22 cm.

Pour les particuliers[modifier | modifier le code]

Des entreprises d'impression tridimensionnelle à la demande existent et reprennent la vision de service web : envoi de vos plans par un site internet, paiement, impression, (montage), envoi du produit fini[36].

Limites[modifier | modifier le code]

L'impression tridimensionnelle est émettrice de particules "ultrafines"[37].

Technologies[modifier | modifier le code]

Toutes les technologies connues sont basées sur la découpe de l'objet virtuel 3D en lamelles 2D de très fine épaisseur[38]. Ces fines lamelles sont déposées une à une en les fixant sur les précédentes, ce qui reconstitue l'objet réel.

Il existe différents types de technologies. Les principales sont :

AM ou ALM (Additive -Layer- Manufacturing)[modifier | modifier le code]

Additive Manufacturing (AM) est défini par la norme ASTM comme le «processus d'assemblage de matériaux pour fabriquer des objets à partir des données du modèle 3D, le plus souvent couche après couche, par opposition aux méthodes de fabrication soustractive. Synonymes: fabrication additive, les procédés additifs, les techniques additives, la fabrication par couche additive, la fabrication des couches et fabrication de forme libre »[39]

Le terme additif décrit les technologies qui peuvent être utilisés n'importe où dans le cycle de vie du produit, de la pré-production (c'est-à-dire du prototypage rapide) à la production à pleine échelle (également connu sous le nom de fabrication rapide) et même pour les applications d'outillage ou de personnalisation de post-production.

Des exemples de technique d'AM sont le dépôt de filaments en fusion (fused deposition modeling) et le frittage par laser (laser sintering).

FDM (Fused Deposition Modeling)[modifier | modifier le code]

Cette technique consiste à faire fondre un filament de matière synthétique (généralement du plastique type ABS ou PLA) à travers une buse (un extrudeur) chauffée à une température variant entre 160 et 270 °C . Un petit fil de plastique en fusion, d'un diamètre de l'ordre du dixième de millimètre, en sort. Ce fil est déposé en ligne et vient se coller par re-fusion sur ce qui a été déposé au préalable. Le fused deposition Modeling est une marque déposée par l'inventeur de la technologie de dépôt de filament en fusion, Stratasys.

FTI (Film Transfer Imaging)[modifier | modifier le code]

Un film transparent recouvert d’une couche de résine photopolymère est placé devant le vidéo projecteur intégré à la machine, l’image de la coupe 2D projetée dessus va faire durcir la résine. Le plateau de production est remonté d’une épaisseur tandis que le film transparent fait un aller-retour dans la cartouche afin de recevoir une nouvelle couche de résine liquide, l’image de la coupe 2D suivante est projetée dessus et ainsi de suite. La pièce est ainsi reconstituée couche par couche.

MJM (Modelage à jets multiples)[modifier | modifier le code]

Article détaillé : Modelage à jets multiples.

Cette technique consiste à déposer une couche de résine (du plastique type acrylate ou polypropylène) liquide de la même manière qu'une imprimante à jet d'encre avec une épaisseur de 2/100 à 4/100 de mm.

SLA (StéréolithographieApparatus)[modifier | modifier le code]

Article détaillé : Stéréolithographie.

Cette technique utilise en général une résine spéciale sensible au traitement ultra violet. À la fin de chaque couche 2D, une lampe ultra-violette traite la résine qui durcit.

SLS (Selective Laser Sintering)[modifier | modifier le code]

Article détaillé : Frittage sélectif par laser.

Cette technique est similaire à la stéréolithographie, mais une poudre est utilisée (au lieu d'un photopolymère liquide). Un laser puissant solidifie localement la surface de poudre et l'agglomère aux couches précédentes par frittage. Une nouvelle couche de poudre est ensuite étalée et le processus recommence.

Impression de nourriture[modifier | modifier le code]

En 2009, l'institut français d'art culinaire, l'école d'art culinaire de New York City ont travaillé sur l'élaboration de l'impression de nourriture, sur l'imprimante 3D libre Fab@home[40].

En 2010, le projet Cornucopia du Massachusetts Institute of Technology travaille sur l'impression de nourriture[41] et des entreprises (comme IKEA) travaillent sur ce concept[42].

En 2012, Choc Edge a proposé la Choc Creator Version 1, la première imprimante 3D à chocolat[43].

Il en existe d'autres[44].

Notes et références[modifier | modifier le code]

  1. a, b et c (en) The rise of additive manufacturing (the engineer co.uk)
  2. Le procédé utilisant le plâtre de Paris (Powder bed and inkjet head 3d printing) est issu du MIT (Massachusetts Institute of Technology).
  3. (en) Additive Manufacturing company Stratasys and Kor Ecologic of Winnepeg, Canada make Urbee, the first 3D printed car
  4. (en) Large format 3d Printers - Making large things from Additive Manufacturing and Airbus has Roadmap to use Additive Manufacturing with Carbon Nanotubes to Make Whole Wings
  5. L’impression 3D est-elle le moteur de la fabrication de demain ?, dans Le Monde du 7 mars 2012.
  6. Mathilde Berchon, "L'impression 3D", Éditions Eyrolles, Juillet 2013.
  7. Article sur le site de l'Agence spatiale européenne, consulté le 15 octobre 2013
  8. – L’impression 3D entre dans « l’âge du fer », article sur le site du quotidien Le Monde, daté du 15 octobre 2013.
  9. « Pour Barack Obama, l'impression 3D sera la prochaine révolution industrielle », Lexpress.fr,‎ 14 février 2013 (lire en ligne)
  10. « La troisième révolution industrielle est en marche et nous pouvons tous y participer », Framablog,‎ 17 septembre 2012 (lire en ligne)
  11. http://www.redressement-productif.gouv.fr/appel-a-projets-fablab-14-dossiers-retenus
  12. Matthieu Lavergne et Benjamin Lavergne, L'imprimante 3D: une révolution en marche, Favre,‎ 2014 présentation en ligne=http://fr.3dilla.com
  13. BBC Horizon (1964) with Arthur C. Clarke (Part 2 of 2)
  14. (en) Three Financial Reasons for a 3D Printer
  15. (en) Voxel Fabbing, Nanosphere Lithography and Microspheres, Personal Portable 3D Printer and At Home Laser Cutting , sur le site nextbigfuture.com
  16. a et b exemple : Digital Grotesque ; Printing Architecture from Digital Grotesque ; voir aussi l'article rinting Architecture
  17. Archilab, exposition regroupant 40 architectes, designers et artistes via des environnements interactifs
  18. [1]
  19. Solar-Powered 'Stone Spray' 3D Printer Robot Creates Entire Buildings From Sand par Kristine Lofgren  ; 08/12/12
  20. Institut d'Arquitectura Avançada de Catalunya ; Barcelone (http://www.iaac.net/)
  21. Markus Kayser - Solar Sinter Project (projet développé et testé lors de ses études au Royal College of Art)
  22. Contour crafting
  23. [2]
  24. Behrokh Khoshnevi (2004) Urban initiative policy brief aout 2004, université de Californie du Sud
  25. Contour Crafting (CC) (www.contourcrafting.org/)
  26. « Imprimante 3D, la 3e révolution industrielle », Delphine Cuny, La Tribune (France), nº 55, 5 juillet 2013, p. 4
  27. (fr) [3], sur BFMtv.com
  28. (en) RESILIENT COMMUNITY: Forget Afghanistan, These are Needed in Detroit etc., sur le site globalguerrillas.typepad.com
  29. (en) US Military Has Project to Develop Additive Manufacturing to Make Parts for Military Equipment for in-theater repairs, sur le site nextbigfuture.com
  30. (en) Utopium project to use carbon nanotube enhanced materials with Additive Manufacturing and the Airbus vision to Scale up Additive Manufacturing, sur le site nextbigfuture.com
  31. (en) Large format 3d Printers - Making large things from Additive Manufacturing and Airbus has Roadmap to use Additive Manufacturing with Carbon Nanotubes to Make Whole Wings, sur le site nextbigfuture.com
  32. Vous vous êtes cassés un os ? Imprimez-le !, sur le site www.be-3d.fr
  33. Alain Tranet, « Une prothèse trachéale créée par impression 3D sauve la vie d'un enfant », Journal de la science,‎ vendredi 24 mai 2013 (consulté le 26 septembre 2013)
  34. Des « Bras Magiques » permettent à une fillette d’enlacer sa mère, sur le site www.be-3d.fr
  35. Un stylo pour imprimer en 3D des cellules souches, sur le site www.imprimeren3d.net
  36. (en) RedEye, part for prototype and production, on demand, sur le site eu.redeyeondemand.com
  37. Article sur le site du quotidien Le Monde, daté du 26 août 2013.
  38. voir animation du procédé
  39. Reprinted, with permission, from ASTM F2792-10 Standard Terminology for Additive Manufacturing Technologies, copyright ASTM International, 100 Barr Harbor Drive, West Conshohocken, PA 19428. A copy of the complete standard can be obtained from ASTM International, www.astm.org.
  40. The Future of Food Printing
  41. MIT's food printer (Make magazine)
  42. IKEA kitchen of the future: 3D food printer, multitouch taps and more
  43. La première imprimante 3D à chocolat !, sur le site Be-3D.fr
  44. « Des bonbons et des chocolats imprimés en 3D »

Voir aussi[modifier | modifier le code]

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Articles connexes[modifier | modifier le code]

Liens externes[modifier | modifier le code]